纺织工业发展与表面活性剂工业休戚与共的关系(一)
阮天治
阮静
白鸟正祥
贺健
2018-2-5

纺织工业发展与表面活性剂工业休戚与共的关系(一)

阮天治,阮静,白鸟正祥,贺健

       摘  要:纺织工业是我国的支柱产业,它的发展与表面活性工业有着千丝万缕的联系。可以说,纺织工业要发展,要获得高附加值,要实现舒适感,实现时尚化、个性化、功能化的目标,离不开不同类型和功能的表面活性剂的选用,两者相互依存的关系,又为两个不同工业体系的发展带来了生机和广阔的发展前景。

       本文围绕两者关系,诠释表面活性剂作为纺织助剂在纺织品加工各工序作用和选用,活性剂具有不可取代的地位,研究纺织助剂,先从表面活性剂理论和基本性能为切入点,这样才能事半功倍,为纺织工业发展提供优质活性剂品种。

       关键词:纤维分类及特征;表面活性剂;基本性质;派生性能;低分子量和高分子量表面活性剂;冠名;润湿;摩擦;加工工序与后整理

 

       目  录

       一、纤维分类与特征

       二、纺织工业应用表面活性剂的行业特征

       1、低分子量表面活性剂基本性质和派生性能

       2、高分子表面活性剂

       三、纤维(织物)加工与表面活性剂的依存关系

       1、表面活性剂在纺织品加工中的冠名

       2、纤维加工过程为表面活性剂性能发挥提供了有利条件

       四、纤维(织物)加工与配套表面活性剂

       1、纺丝、纺纱及织造用表面活性剂

       2、前处理用表面活性剂

       3、印染用表面活性剂

       五、织物后整理与表面活性剂

       1、纤维表面改性的整理

       2、与润湿有关的整理

       3、与摩擦有关的整理

       4、与特殊效果有关的整理

一、纤维分类及特征

       纺织业涉及到纤维品种很多,根据来源,可分为天然纤维和化学纤维两大类。

       天然纤维包括植物纤维(如棉、麻),动物纤维(丝、毛)和矿物纤维(石棉等)。近年来国际上新开发的香蕉纤维、竹纤维、浔麻纤维、月桃纤维,同属天然纤维。目前棉纤维世界总产量已达2000万吨,占纤维总量的40%,其中长纤维占棉花产量的90%。世界麻产量为500万吨,其中400万吨为黄麻,主要用于麻袋生产;衣料用麻主要是亚麻、萱麻,还有剑麻、马尼拉麻、浔麻等。棉、麻的典型特征是吸湿性和湿强度好,但弹性差、易起皱、耐酸性差。香蕉纤维吸水性较高、质轻,在2004年已商品化;竹纤维、浔麻有吸湿性,因有冷凉感,常与棉混纺,提高棉织物的舒适度。

       矿物纤维主要是石棉,因生产粉尘大,对人体有害,产量及用量已逐年减少,但在一些特殊场合仍在使用。为解决粉尘问题,天津轻工业化研究所在上世纪八十年代初曾开发出防尘油。中国是天然纤维主要产地之一,其次是美国、印度、巴基斯坦等国。

       化学纤维,包括再生纤维、半合成纤维、合成纤维和无机纤维。再生纤维有人造纤维、合成棉(polynsie)和铜铵纤维(cupra)等。世界总产量为200万吨。半合成纤维,包括醋酸人造丝(acetale)和丙烯腈与酪的共聚物(pronix),这类纤维有丝样光泽,适度的吸湿性、弹性和热可塑性,世界总产量为70万吨,其中60万吨醋酸纤维用于菸草过滤嘴生产。

       合成纤维在化学纤维中占据重要地位,其特点是:有热塑性、防虫、耐化学品性等。不足之处是一般无吸湿性、抗静电性差。世界总产量为3200万吨,其中聚酯产量为2100万吨,聚丙烯纤维为400万吨,尼龙产量为390万吨,丙烯(acryl)产量为270万吨。这四种纤维占合成纤维总量的98%以上。除此之外,还有维尼龙(vinylon)、聚氯乙烯、聚氨酯(polyurethane)等。

       无机纤维,包括金属丝(金丝、银丝)、玻璃纤维、岩石纤维(rockpiton)和炭素纤维。

       以上这些纤维,要经过纺和织,纺和织又要经过许多工序,逐步加工成不同风格的产品,这个全过程离不开表面活性剂的使用。

二、纺织工业应用表面活性剂的行业特征

       表面活性剂是一类加入少量即能大大降低另一种物质的表面张力(或界面张力),从而改变体系的界面状态,产生润湿、乳化、起泡,以及增溶等一系列作用,可达到实际应用的要求。表面活性剂在离子性上有阴离子、阳离子、非离子、两性等差异,它们在应用性能方面也有较大差异。

       经大量实践,学者将各种水溶液的表面张力与浓度的关系归纳为三类(如图1),一类表面张力在稀浓度时,随浓度增加急剧下降(曲线1);第二类是表面张力随浓度增加逐渐下降(曲线2);第三类则表面张力随浓度增加稍有上升(曲线3)。

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图1   物质水溶液的表面张力与浓度关系

       上述第一、二类物质具有表面活性,第三类则无。因此,可将一、二类物质称为表面活性物质。第一类物质在水溶液中,分子能发生缔合而形成胶团,而第二类物质则无。

       表面活性剂由亲油及亲水两部分组成,亲油部分主要有支链及直链烷烃、烷基苯、烷基酚、脂肪醇、脂肪胺及脂肪酸等构成;而亲水基主要有磺酸基、氧乙烯基、碱性氮原子,也有磷、硫、碘等构成;对于两性表面活性剂而言,其特点不同于其他活性剂之处,在分子中既含有阴离子亲水基,又含有阳离子亲水基,最大特征是可给出质子,又能接受质子,也就是说在不同PH值条件下,可显示出不同特征离子性。

       在纺织工业中使用的表面活性剂品种很多,若按分子量大小来划分,有低分子量和高分子量之分,这两类各具特色,又有互补作用。

       1、低分子量表面活性剂基本性质与派生性能

       这类表面活性剂的分子量一般在300~500之间,亲油基的碳数一般在10~18之间。用作亲水基的有-COONa,-NH3C1,-(CH2CH2O)H等。可是,在以聚氧乙烯基作为亲水基的非离子活性剂中,聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段聚合物分子量可达1000~2000,一般在1000以下。低分子量表面活性剂无论从品种和用量上,占有主导地位,这与它的基本性质和派生性能有关。

       (1)低分子量表面活性剂的基本性质,主要表现在:

       ①润湿与渗透作用。这两种作用均与表面活性剂降低表面张力的效用有关。润湿作用是借助表面活性剂来实现的,常用润湿角的大小来表示润湿程度;渗透作用也是借助活性剂,使较难渗透的物质(如毛毯、棉絮)达到易渗透目的。例如,纤维染色时,特别是染着性大的染料来染疏水性纤维时,为了使染料均匀地浸透被染物,需使用表面活性剂来实现,我们通常将这类活性剂称之为渗透剂。

       ②乳化和分散作用。这也是表面活性剂的重要性能。通过表面活性剂的作用,可使互不混合的两液相中一相的微粒状分散于另一相中,使热力学不稳定体系达到稳定的效果。表面活性剂作为分散剂,在颜料、染料、涂料等加工应用中不可或缺的关键原料。作为分散剂,可使颜料、染料的固体微粒在液体中获得最佳分散状态,并防止粒子的絮凝。

       ③发泡作用。表面活性剂可起泡,吸附于气泡界面上,可形成液膜、亲水基向着内部,疏水基向着外部(空气),最后形成双分子膜结构,并使表面张力下降。

       ④洗涤、去污作用。这是表面活性剂降低表面张力而产生的润湿,渗透、乳化、分散等多种作用而产生的综合效果。

       (2)派生性质及相关助剂,包括:

       ①平滑剂、纤维及织物柔软剂(减摩剂);

       ②匀染剂、缓染剂、固色剂、导染剂等;

       ③抗静电剂、防水防油剂等;

       ④杀菌剂;

       ⑤防锈剂、防污剂等;

       ⑥其他。

       2、高分子表面活性剂

       这是指分子量达到数千以上,乃至数百万且有表面活性的一类化合物。作为高分子表面活性剂,在1950年已出现,当时美国Wyandott公司发表了环氧乙烷(EO)和环氧丙烷(PO)的嵌段共聚物(plyronic)之后,才促进了高分子表面活性剂的开发和应用。这类活性剂在纺丝纺纱、前处理、涂料印花,以及后整理中也得到了广泛应用。

       作为高分子表面活性剂,无论是水溶性的还是油溶性的,如果它吸附在某一界面上,引起界面或溶液状态的变化,并有实用性。例如,聚乙烯醇即可制成纤维,又可作薄膜使用。如果根据它具有乳化作用和凝聚作用,那么它就是很好的高分子表面活性剂。拓展开来看,藻朊酸钠、淀粉衍生物、黄蓍胶、羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠、阿拉伯树胶等均应列为高分子活性剂之列。

       高分子活性剂与低分子量活性剂一样,也有阴离子、阳离子、非离子和两性离子之分,但与低分子量活性剂相比,具有三大优势和三大不足:

       (1)三大优势:乳化力好,能形成稳定乳液的活性剂较多;具有优良的分散能力和凝聚力;多数无毒,使用安全。

       (2)三大不足:一是降低表面张力小,多数不形成胶束;二是由于分子质量高,渗透力弱;三是起泡力差,一旦发泡,形成的泡沫稳定。

       高分子表面活性剂具有优良的乳化、分散、絮凝、胶体保护作用,这些特性决定了此类活性剂在纺织工业上应用的地位,它的应用遍布各工序,弥补低分子量表面活性剂的不足。主要用途可归纳为以下几个方面:

       ①有提高溶液粘度的作用,适用作增粘剂、凝胶剂;

       ②能改变流便性,用于颜料等粘弹性调理剂;

       ③有粘结性和强度,可作粘接剂、结合剂使用;

       ④能吸附于离子表面,根据其浓度可作凝聚剂、分散剂、保护胶体剂等;

       ⑤氧化稳定性好,可作各种乳化剂选用;

       ⑥其他方面还可作保湿剂、抗静电剂、消泡剂等使用。

       ⑦许多高分子活性剂保水性强、成膜性好,也可用于防水、防油、抗静电领域。

       高分子表面活性剂在涂料印花中占据更多优势,其地位具有不可撼动的作用。往日印花多采用染料印花,工艺繁杂,而且污染严重,而涂料印花具有更大优势,工艺简单,又无大量污水排放,近几十年发展很快。一些发达国家涂料印花(上色)占据印花行业的60%~80%,而我国只占15%。涂料印花是发展的必然趋势,涂料印花的发展必然带动高分子表面活性剂的发展。

三、纤维(织物)加工与表面活性剂的依存关系

       纤维加工成多彩美观、实用的织物,要经过纺丝纺纱、原坯加工、织造、前处理、印染和后整理多道独立而又相互关联的繁杂工序。每道工序又因纤维类别、成品归属和追求的不同,导致加工条件又各具特色。由于表面活性剂的使用,方能通过各道工序苛刻的质量要求,才为人们提供了丰富多彩、质优,又千差万别的纺织品。

       1、表面活性剂在纺织品加工中冠名

       表面活性剂广泛应用各类工业体系,而在纺织工业领域虽然作用有别,通常以纺织助剂为总称。不同类型表面活性剂可依其在纺织加工中的作用加以命名,也常出现俗称、英文缩写、代号等多种形式冠名,无论名称如何变化,它们的应用均应上升到表面活性剂基础理论加以探讨、理解,就会对面临的问题迎刃而解。

       (1)通常以表面活性剂作用和功能加以命名,使读者一目了然,例如润湿剂、煮练剂、洗涤剂、分散剂、匀染剂、消泡剂、固色剂、缓染剂、抗静电剂等,名称后再加代码。

       (2)有的以英文缩写表示,如AES[脂肪醇聚氧乙烯醚(3)硫酸酯盐]、AOS(α-烯基磺酸盐)、span-60(失水山梨醇硬脂酸单酯)、PK(抗静电剂磷酸酯钾盐)、JFC(润湿剂,脂肪醇与环氧乙烷缩合物)等。

       (3)俗称(习惯用语):6501(烷醇酰胺或尼纳尔)、拉开粉(二丁基萘磺酸盐)、1227(十二烷基二甲基苄基氯化铵)、1831(十八烷基三甲基氯化铵或OT),胰加漂T(N,N-油酰甲基牛磺酸钠)等。

       (4)有的产品仍沿用表面活性剂原名,如:聚乙烯醇(400或600等)、聚丙烯酸钠、烷基磺酸钠(AS)、磷酸酯钾盐等。

       这些产品无论怎样冠名,均应纳入表面活性剂范畴思考。在实际应用中,应清楚表面活性剂具有或展现的乳化、分散、渗透、抗静电、柔软等性能是群体优势,不是每个品种兼备的,各有所长。欲求达到某一效果,在考虑离子性同时,常采用几种活性剂加以复配,发挥协同效果。

       2、纤维加工过程为表面活性剂性能发挥提供了有利条件

       各类纤维在加工中,均需在水溶液中进行加工和完成,这种特征为表面活性剂特性的发挥提供了最佳条件。纤维和织物在加工过程中,经常接触到的是液-固、液-液、液-气、气-固界面现象的处理,要处理好每种关系,必须选用合适的表面活性剂来完成。

       据报道,表面活性剂被业界誉为“工业味精”,广泛应用于农药、食品、医药、石油开采、洗涤剂、化妆品、机加工、煤炭开采等工业领域,在工业用表面活性剂中纺织等占有率高达40%;纺织品加工用化学品中占有率高达90%。可见,表面活性剂在纺织加工业中的地位。另据报道,发达国家的纺织助剂产量与纤维加工量之比为15∶100,平均水平为7∶100,但我国低于平均水平。目前,国外纺织助剂已达1.4万多个品种,100余个门类,其中欧美纺织助剂产品已达8000多个品种,48个门类;日本有5200多个品种,而我国只有20大类,1000多个品种,助剂与纺织业发展仍不适应,一些高端、生态、安全性产品相对较少,尚需一部分进口。

       以上所述纺织助剂均为表面活性剂单体或以其为主的复配物。

       (未完待续,精彩内容请见下期……)

 

作者简介:

       阮天治,高级工程师,在广东、江苏、山东工作多年,经验丰富,长期在研究单位从事表面活性剂研究和应用开发,具有大企业工作阅历。

       历任研究室主任、科研科长、总工程师等职,有四十多年研发经验,其中从事纺织助剂开发已达三十余年,具有较深的专业造诣,在行业中享有一定的声誉。

       现是享受国务院特殊津贴的化学专家,曾任深圳市专家委员会化学专家、天津市日用化学工业协会理事,也是中国书法家协会烟台分会会员。

       在纺织后整理助剂研发方面,曾倾注大量心血,仅软片(柔软剂)成熟技术达三十项,涵盖各类品种,多项成果达到国外同类产品水平。近几年,研发成功的五种阴离子柔软剂,独具特色,用于棉和针织品整理,具有其他产品不具备的柔软、滑爽、无黄变、瞬间吸水、缝纫性好五大优势,成为棉、针织品,尤其是出口针织品首选品种。

        除掌握有机硅(包括阴离子平滑剂)、硅油精等后整理助剂生产技术外,在前处理和染色工序也可提供多项产品,如煮练剂、皂洗剂、毛能净、乳化剂、渗透剂、匀染剂、抗静电剂、平滑剂、硬挺剂、螯合剂、纺练纺纱油剂等。

       除纺织助剂外,对化工设备也很专业,其设计的软片生产和加工设备已被国内多个厂家采用,得到好评;在软片生产中,会产生大量氨气,污染严重,对此,有一套成熟处理技术;对于小企业,鉴于氨气排放量不太大,可帮助设计氨气吸收系统,此技术可大幅度降低氨气对环境污染;对于软片产量较大的企业,不仅可提供氨气吸收系统,并通过技术改造,可将氨气回收,将其转化为28%含量的工业氨水进入市场!此举,不仅可解决污染问题,而且可降低软片生产成本!

       另外,在工业及民用洗涤剂、金属加工助剂(包括发黑技术)、油田助剂、造纸助剂、皮革助剂等方面也可提供技术帮助!

       目前,集四十多年经验,正在撰写六十万字《纺织助剂概论》,该书不同于其他专业书,第一次将纺练纺纱油剂、有机概念图列为章节专述,还将有机硅及最新技术、绿色环保理念等,作为成书的重要组成部分!

       手  机:13773745606


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